CN114719757B - 一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法，包括有大型剪切机、辊道输送系统、测长系统以及控制系统，由工业相机与线结构光结合的测长系统以及控制系统，由控制系统下达长度信息指令，启动辊道传送系统，测长系统对钢板长度进行跟踪采集、分析，剪切机对钢板进行定长剪切，本发明通过直射式激光三角法测量钢板位移，运用工业相机配合获取图像信息，利用视觉感知技术对钢板端面处线结构光畸变位置进行定位计算，从而达到对钢板无接触测长。本发明运用计算机视觉技术、辊道控制技术、剪切机控制技术，来实现操作简单、测量精度高、维护成本较低，满足实际工业生产的钢板实时测长和剪切的目的。

Description

一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉测量技术领域，尤其涉及一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法。

背景技术

在实际生产过程中，钢材需要根据客户要求被剪切成不同的长度，因此，在生产线上需要对生产出的钢板进行实时测长与剪切。传统测量多采用人工方式，即工人手持钢卷尺测量长度，这种方法不仅测量精度差、效率低，而且操作不当极易造成操作人员受伤。现阶段钢板各种测量方法存在巨大弊端，目前，较为先进的测量方法有接触式和非接触式两类，其中接触式测量是通过测量辊在待测钢板表面滚动，将待测钢板的长度转化为测量辊的转数，再结合测量辊的尺寸来计算待测钢板的长度，但因钢板重量较大，在传动过程中极易与传动辊发生相对滑动，影响测量精度。非接触式测量目前常采用激光测量仪，这种测量方式不仅价格昂贵，而且对生产工况要求比较严格，维护成本较高，难以在实际工业中进行普及。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法，运用计算机视觉技术、辊道控制技术、剪切机控制技术，来实现操作简单、测量精度高、维护成本较低，满足实际工业生产的钢板实时测长和剪切的目的，以解决现阶段测长面临的问题，满足实际生产需求。

为实现本发明目的而提供的一种基于线结构光的钢板测长系统，包括有大型剪切机、辊道输送系统、测长系统以及控制系统，所述辊道输送系统承接大型剪切机，所述辊道输送系统包括有钢板、辊道，所述测长系统包括有长钢尺、m个支架、n个工业相机、2个激光器，其中长钢尺固定于辊道旁机架上，m个支架分为两排，其中一排有n个用以固定工业相机，工业相机的架设需满足钢板上的线结构光能清晰成像在工业相机视野中，满足工业相机对钢板断面处线结构光的跟踪，另一排有2个，用以固定激光器，以保证2个激光器所射两条线结构光在辊道上首尾连接重合，以剪切线为起点，沿钢板前进方向形成一条直线铺满辊道，保证线结构光能在n个工业相机中完整成像。依据距离剪切机位置对工业相机编号依次增大，图像采集时，依次遍历每个相机视野，捕捉编号最大相机中的最亮点为钢板端部线结构光畸变的点，记录为钢板左端点；同理，遍历每个相机视野，捕捉编号最小相机中的最亮点为钢板端部线结构光畸变的点，记录为钢板右端点，计算钢板左、右端点实际位置，得到钢板长度信息。

作为上述方案的进一步改进，2个所述激光器沿钢板平面向内侧倾斜45度角布置，以延长线结构光在辊道照射的长度。

作为上述方案的进一步改进，所述激光器沿水平面向下倾斜45度，并且激光器与工业相机的光轴夹角为90°，以解决线结构光进入工业相机视野过暗问题。

作为上述方案的进一步改进，所述工业相机由黑白相机和滤光片组成，以使工业相机成像为黑白图像，使图像背景灰度值小，线结构光灰度值大，以解决杂光和自然光影响。

作为上述方案的进一步改进，所述工业相机等高、等间距、等角度布置，相邻工业相机的视野有5％左右重叠，以满足工业相机各自的成像，并且重叠视野中将线结构光在钢板上的成像全部显示，用于解决单一工业相机视野不清晰的情况。

作为上述方案的进一步改进，包括有如下步骤：

步骤一：以大型剪切机的剪切线为原点、线结构光平面法线为Z轴、钢板前进方向为X轴建立坐标系，以这个坐标系分别标定每个工业相机的投影变换参数；

步骤二：将长钢尺沿辊道传送方向固定于辊道旁机架上，使其与钢板运动方向平行，长钢尺的0刻度线与大型剪切机的下剪刃处对齐，刻度增长方向为钢板的运动方向；

步骤三：在辊道两侧安装m个支架，其中Y轴正方向的辊道一侧安装n个支架，Y轴负方向的辊道一侧安装2个支架，调整2个激光器的布置角度，使得两个激光器所射出的两条线结构光首尾相接形成一条平行于X轴的直线，且该直线满足起始位置在大型剪切机剪切线下，尽可能满足起始位置位于X轴负方向；

步骤四：Y轴正方向n个支架两两相距4000mm布置，在支架上架设工业相机，调整n个工业相机布置角度，使各个工业相机都为45度向下的角度、同水平线放置，调试每个工业相机焦距、光圈等参数，满足两两工业相机视角重合5％左右，实现钢板断面处的线结构光畸变点在辊道传送过程中可以被n个工业相机视野追踪捕捉；

步骤五：在控制系统输入钢板长度信息，确定参数后，控制系统启动辊道传送系统，启动辊道，当钢板通过大型剪切机的下剪刃时启动测长系统，控制系统启动多个工业相机开始图像采集，通过三角法原理对线结构光在钢板最前端边缘畸变处像素点进行分析计算，从而计算出钢板通过大型剪切机的实际长度。

作为上述方案的进一步改进，所述步骤五中的具体计算步骤如下：

S1:钢板断面端部畸变点世界坐标(Xw，Yw，Zw)，经钢板断面端部畸变点世界坐标(Xw，Yw，Zw)散射后进入工业相机并在工业相机成像平面成像点(u，v)，平面成像点坐标与钢板断面端部畸变点世界坐标(Xw，Yw，Zw)位置，也即钢板的位移存在一一对应的映射关系；

S2：利用轨道坐标系和相机坐标系的坐标变换及相机坐标系到图像坐标系的投影变换建立图像坐标系与辊道坐标系之间的关系，控制系统采集图像数据后，查找图像激光线端点(u，v)；根据投影变换公式计算钢板端部坐标Xw；

S3：钢板实际到达位置也即钢板通过大型剪切机下剪刃的长度，等于控制系统输入长度减去偏差长度，控制系统控制辊道停止运动，并启动剪切程序，完成对钢板所需要长度的剪切工作，此为一个工作循环，下一批钢板进入大型剪切机时，开启下一个工作循环。

作为上述方案的进一步改进，所述S2中轨道坐标系和相机坐标系、图像坐标系的投影变换公式如下：钢板断面端部畸变点世界坐标(Xw，Yw，Zw)，对应相机坐标系(Xc，Yc，Zc)，图像激光线端点(u，v)：

其中，钢板断面端部畸变点的世界坐标为(Xw，Yw，Zw)，对应相机坐标系的点为(Xc，Yc，Zc)，图像激光线端点为(u，v)。

作为上述方案的进一步改进，所述S3中偏差长度的计算公式如下：偏差长度＝(控制系统处理图像获得线结构光实际位置的时间+控制系统控制辊道停止的时间)×辊道的输送速度。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法，利用线结构光与工业相机结合的方式对钢板长度进行测量，该测长系统，通过对钢板断面处的线结构光畸变进行分析计算定位，实现从大型剪切机到钢板边缘处的测长功能，与传统方法相比，该方法无需与钢板进行直接接触，保证了操作人员的人身安全，同时能满足对钢板长度的实时测量，既可以满足检测精度的要求，也大大提高了生产效率，此外，还具有检测精度高、操作简单、维护方便等优点。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的钢板测长系统组成示意图；

图2为本发明的工业相机、激光器布置示意图；

图3为本发明的激光三角法测量定位原理图。

其中，10.大型剪切机、20.辊道输送系统、201.钢板、202.辊道、30.测长系统、300.长钢尺、301.支架、302.工业相机、303.激光器、40.控制系统。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明提供的一种基于线结构光的钢板测长系统及其测量方法，包括有大型剪切机10、辊道输送系统20、测长系统30以及控制系统40，辊道输送系统20承接大型剪切机10，辊道输送系统20包括有钢板201、辊道202，测长系统30包括有长钢尺300、13个支架301、11个工业相机302、2个激光器303，2个激光器303沿钢板201平面向内侧倾斜45度角布置，以延长线结构光在辊道202照射的长度，激光器303沿水平面向下倾斜45度，并且激光器303与工业相机302的光轴夹角为90°，以解决线结构光进入工业相机302视野过暗问题。其中长钢尺300固定于辊道旁机架上，13个支架301分为两排，其中一排有11个用以固定工业相机302，工业相机302由黑白相机和滤光片组成，以使工业相机302成像为黑白图像，使图像背景灰度值小，线结构光灰度值大，以解决杂光和自然光影响。工业相机302等高、等间距、等角度布置，相邻工业相机302的视野有5％左右重叠，以满足工业相机302各自的成像，并且重叠视野中将线结构光在钢板201上的成像全部显示，用于解决单一工业相机302视野不清晰的情况，另一排有2个，用以固定激光器303，以保证2个激光器303所射两条线结构光在辊道202上首尾连接重合，以剪切线为起点，沿钢板201前进方向形成一条直线铺满辊道202，保证线结构光能在11个工业相机302中完整成像。依据距离剪切机位置对工业相机302编号依次增大，图像采集时，依次遍历每个相机视野，捕捉编号最大相机中的最亮点为钢板201端部线结构光畸变的点，记录为钢板201左端点；同理，遍历每个相机视野，捕捉编号最小相机中的最亮点为钢板201端部线结构光畸变的点，记录为钢板201右端点，计算钢板201左、右端点实际位置，得到钢板201长度信息。

一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，包括有如下步骤：

步骤一：以大型剪切机10的剪切线为原点、线结构光平面法线为Z轴、钢板201前进方向为X轴建立坐标系，以这个坐标系分别标定每个工业相机302的投影变换参数；

步骤二：将长钢尺300沿辊道202传送方向固定于辊道旁机架上，使其与钢板201运动方向平行，长钢尺300的0刻度线与大型剪切机10的下剪刃处对齐，刻度增长方向为钢板201的运动方向；

步骤三：在辊道202两侧安装13个支架301，其中Y轴正方向的辊道202一侧安装11个支架301，Y轴负方向的辊道202一侧安装2个支架301，调整2个激光器303的布置角度，使得两个激光器303所射出的两条线结构光首尾相接形成一条平行于X轴的直线，且该直线满足起始位置在大型剪切机10剪切线下，尽可能满足起始位置位于X轴负方向；

步骤四：Y轴正方向11个支架301两两相距4000mm布置，在支架301上架设工业相机302，调整11个工业相机302布置角度，使各个工业相机302都为45度向下的角度、同水平线放置，调试每个工业相机302焦距、光圈等参数，满足两两工业相机302视角重合5％左右，实现钢板201断面处的线结构光畸变点在辊道202传送过程中可以被11个工业相机302视野追踪捕捉；

步骤五：在控制系统40输入钢板201长度信息，确定参数后，控制系统40启动辊道202传送系统，启动辊道202，当钢板201通过大型剪切机10的下剪刃时启动测长系统30，控制系统40启动多个工业相机302开始图像采集，通过三角法原理对线结构光在钢板201最前端边缘畸变处像素点进行分析计算，从而计算出钢板201通过大型剪切机10的实际长度。其具体计算步骤如下：

S1:钢板201断面端部畸变点(Xw，Yw，Zw)，经钢板201断面端部畸变点(Xw，Yw，Zw)散射后进入工业相机302并在工业相机302成像平面成像点(u，v)，平面成像点坐标与钢板201断面端部畸变点(Xw，Yw，Zw)位置，也即钢板201的位移存在一一对应的映射关系；

S2：利用轨道坐标系和相机坐标系的坐标变换及相机坐标系到图像坐标系的投影变换建立图像坐标系与辊道202坐标系之间的关系，控制系统40采集图像数据后，查找图像激光线端点(u，v)；根据投影变换公式计算钢板201端部坐标Xw；投影变换公式如下：

其中，钢板断面端部畸变点的世界坐标为(Xw，Yw，Zw)，对应相机坐标系的点为(Xc，Yc，Zc)，图像激光线端点为(u，v)。

S3：钢板201实际到达位置也即钢板201通过大型剪切机10下剪刃的长度，等于控制系统40输入长度减去偏差长度(偏差长度＝(控制系统40处理图像获得线结构光实际位置的时间+控制系统40控制辊道202停止的时间)×辊道202的输送速度)。控制系统40控制辊道202停止运动，并启动剪切程序，完成对钢板201所需要长度的剪切工作，此为一个工作循环，下一批钢板201进入大型剪切机10时，开启下一个工作循环。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：包括有如下步骤：

步骤一：以大型剪切机（10）的剪切线为原点、线结构光平面法线为Z轴、钢板（201）前进方向为X轴建立坐标系，以这个坐标系分别标定每个工业相机（302）的投影变换参数；

步骤二：将长钢尺（300）沿辊道（202）传送方向固定于辊道旁机架上，使其与钢板（201）运动方向平行，长钢尺（300）的0刻度线与大型剪切机（10）的下剪刃处对齐，刻度增长方向为钢板（201）的运动方向；

步骤三：在辊道（202）两侧安装m个支架（301），其中Y轴正方向的辊道（202）一侧安装n个支架（301），Y轴负方向的辊道（202）一侧安装2个支架（301），调整2个激光器（303）的布置角度，使得两个激光器（303）所射出的两条线结构光首尾相接形成一条平行于X轴的直线，且该直线满足起始位置在大型剪切机（10）剪切线下，尽可能满足起始位置位于X轴负方向；

步骤四： Y轴正方向n个支架（301）两两相距4000mm布置，在支架（301）上架设工业相机（302），调整n个工业相机（302）布置角度，使各个工业相机（302）都为45度向下的角度、同水平线放置，调试每个工业相机（302）焦距、光圈等参数，满足两两工业相机（302）视角重合5%左右，实现钢板（201）断面处的线结构光畸变点在辊道（202）传送过程中可以被n个工业相机（302）视野追踪捕捉；

步骤五：在控制系统（40）输入钢板（201）长度信息，确定参数后，控制系统（40）启动辊道输送系统（20），启动辊道（202），当钢板（201）通过大型剪切机（10）的下剪刃时启动测长系统（30），控制系统（40）启动多个工业相机（302）开始图像采集，通过三角法原理对线结构光在钢板（201）最前端边缘畸变处像素点进行分析计算，从而计算出钢板（201）通过大型剪切机（10）的实际长度；

所述测量方法基于的线结构光的钢板测长系统，包括有大型剪切机（10）、辊道输送系统（20）、测长系统（30）以及控制系统（40），所述辊道输送系统（20）承接大型剪切机（10），所述辊道输送系统（20）包括有钢板（201）、辊道（202），所述测长系统（30）包括有长钢尺（300）、m个支架（301）、n个工业相机（302）、2个激光器（303），其中长钢尺（300）固定于辊道旁机架上，m个支架（301）分为两排，其中一排有n个用以固定工业相机（302），另一排有2个，用以固定激光器（303），以保证2个激光器（303）所射两条线结构光在辊道（202）上首尾连接重合，以剪切线为起点，沿钢板前进方向形成一条直线铺满辊道（202），保证线结构光能在n个工业相机（302）中完整成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：2个所述激光器（303）沿钢板（201）平面向内侧倾斜45度角布置。

3.根据权利要求2所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述激光器（303）沿水平面向下倾斜45度，并且激光器（303）与工业相机（302）的光轴夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述工业相机（302）由黑白相机和滤光片组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述工业相机（302）等高、等间距、等角度布置，相邻工业相机（302）的视野有5%左右重叠。

6.根据权利要求1所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述步骤五中的具体计算步骤如下：

S1:钢板（201）断面端部畸变点世界坐标（Xw，Yw，Zw），经钢板（201）断面端部畸变点世界坐标（Xw，Yw，Zw）散射后进入工业相机（302）并在工业相机（302）成像平面成像点（u，v），平面成像点坐标与钢板（201）断面端部畸变点世界坐标（Xw，Yw，Zw）位置，也即钢板（201）的位移存在一一对应的映射关系；

S2：利用轨道坐标系和相机坐标系的坐标变换及相机坐标系到图像坐标系的投影变换建立图像坐标系与辊道坐标系之间的关系，控制系统（40）采集图像数据后，查找图像激光线端点（u，v）；根据投影变换公式计算钢板（201）端部坐标Xw；

S3：钢板（201）实际到达位置也即钢板（201）通过大型剪切机（10）下剪刃的长度，等于控制系统（40）输入长度减去偏差长度，控制系统（40）控制辊道（202）停止运动，并启动剪切程序，完成对钢板（201）所需要长度的剪切工作，此为一个工作循环，下一批钢板（201）进入大型剪切机（10）时，开启下一个工作循环。

7.根据权利要求6所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述S2中轨道坐标系和相机坐标系、图像坐标系的投影变换公式如下：

;

其中，钢板断面端部畸变点的世界坐标为（Xw，Yw，Zw），对应相机坐标系的点为（Xc，Yc，Zc），图像激光线端点为（u，v）。

8.根据权利要求6所述的一种基于线结构光的钢板测长系统的测量方法，其特征在于：所述S3中偏差长度的计算公式如下：偏差长度=（控制系统（40）处理图像获得线结构光实际位置的时间+控制系统（40）控制辊道（202）停止的时间）×辊道（202）的输送速度。